RU44391U1 - ACOUSTIC ANEMOMETER - Google Patents
ACOUSTIC ANEMOMETER Download PDFInfo
- Publication number
- RU44391U1 RU44391U1 RU2004131268/22U RU2004131268U RU44391U1 RU 44391 U1 RU44391 U1 RU 44391U1 RU 2004131268/22 U RU2004131268/22 U RU 2004131268/22U RU 2004131268 U RU2004131268 U RU 2004131268U RU 44391 U1 RU44391 U1 RU 44391U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- emitter
- receivers
- signals
- computing device
- Prior art date
Links
Landscapes
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Полезная модель решает задачу расширения ассортимента акустических анемометров, обладающих высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения величин вектора скорости потока при одновременном снижении сложности конструкции и повышении ее надежности. Указанный технический результат достигается тем, что в анемометре, состоящем из вычислительного устройства, генератора коротких импульсных сигналов, акустических излучателя и приемников, сигналы которых усиливаются соответствующими усилителями и поступают в вычислительное устройство, излучатель и приемники акустических сигналов размещают в одной плоскости на поддерживающей структуре, выполненной в виде прямого креста, при этом излучатель установливают в центре.The utility model solves the problem of expanding the assortment of acoustic anemometers with high sensitivity and a wide range of measurement of flow velocity vector values while reducing design complexity and increasing its reliability. The specified technical result is achieved by the fact that in the anemometer consisting of a computing device, a generator of short pulse signals, an acoustic emitter and receivers whose signals are amplified by appropriate amplifiers and fed to the computing device, the emitter and receivers of acoustic signals are placed in one plane on a supporting structure made in the form of a direct cross, while the emitter is installed in the center.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для акустического измерения параметров газовых потоков и величин, которые могут быть получены из этих данных, и может быть использовано в геофизике.The invention relates to measuring equipment, namely, devices for acoustic measurement of gas flow parameters and quantities that can be obtained from these data, and can be used in geophysics.
Известен акустический измеритель скорости потока газов в трубах, основанный на измерении разности времен прихода излучаемого акустического сигнала к датчикам, расположенным по и против потока газа. Измеритель содержит акустическую систему в виде излучателя звуковых сигналов и микрофонов в качестве детекторов звука, которые размещаются в измерительной трубе на определенном расстоянии друг от друга, а также генератор акустических сигналов, посредством которого сигналы подаются на звуковой излучатель, и коррелятор, на который поступают сигналы от микрофонов. В качестве акустического сигнала применяется непрерывный тональный сигнал, для вычисления разности времени прихода применен корреляционный вычислитель, а для вычисления скорости потока газа необходимо знание скорости распространения звука в заданной газовой среде. Скорость распространения звука табулируется в зависимости от температуры газа, поэтому известный прибор снабжен датчиком температуры (п. США №5421212, опубл.6.06.1995).A known acoustic meter of gas flow in pipes, based on measuring the difference in the times of arrival of the emitted acoustic signal to sensors located on and against the gas flow. The meter contains an acoustic system in the form of an emitter of sound signals and microphones as sound detectors that are placed in the measuring tube at a certain distance from each other, as well as an acoustic signal generator through which signals are fed to the sound emitter, and a correlator to which signals from microphones. A continuous tone signal is used as an acoustic signal, a correlation computer is used to calculate the arrival time difference, and to calculate the gas flow rate, it is necessary to know the speed of sound propagation in a given gas medium. The speed of sound propagation is tabulated depending on the temperature of the gas, therefore, the known device is equipped with a temperature sensor (p. US No. 54421212, publ. 06/06/1995).
Однако, данный измеритель используют только для измерения скорости потока, а необходимость априорного знания скорости звука существенно усложняет как конструкцию устройства, так и алгоритм его функционирования.However, this meter is used only for measuring the flow velocity, and the need for a priori knowledge of the speed of sound significantly complicates both the design of the device and the algorithm of its operation.
Известно устройство для определения величины и направления вектора воздушного потока, состоящее из 3-х ультразвуковых зондов и температурного датчика в комбинации с электронным вычислительным контуром для вывода сигналов воздушного движения, показывающим величину и направление по крайней мере на трех координатных осях.A device for determining the magnitude and direction of the airflow vector, consisting of 3 ultrasonic probes and a temperature sensor in combination with an electronic computing circuit for outputting air traffic signals, showing the magnitude and direction of at least three coordinate axes.
Устройство содержит на одной центральной стойке три ультразвуковых излучателя, расположенных под углом 120°, и три приемника напротив каждого излучателя на своей стойке, а разница времен прихода определяется по высокоскоростным часам (п. США №4038870, опубл. 2.08.1977 г).The device contains on one central rack three ultrasonic emitters located at an angle of 120 °, and three receivers opposite each emitter on its own rack, and the difference in arrival times is determined by a high-speed clock (US No. 4038870, publ. 2.08.1977 g).
Однако отделение часов от системы сбора данных и использование попарных излучателя и приемника требует дополнительной калибровки.However, separating the clock from the data acquisition system and the use of a pairwise emitter and receiver requires additional calibration.
Наиболее близок к заявляемому акустический анемометр для одновременного измерения компонентов трехмерного вектора потока, который включает генератор для получения осцилирующего электрического сигнала; акустический излучатель для приема этого сигнала и генерирования непрерывного тонального акустического сигнала; по крайней мере три акустических приемника для принятия названного акустического сигнала и последующего генерирования электрического сигнала в ответ на него;Closest to the claimed acoustic anemometer for simultaneous measurement of the components of a three-dimensional flow vector, which includes a generator to obtain an oscillating electrical signal; an acoustic emitter for receiving this signal and generating a continuous tone acoustic signal; at least three acoustic receivers for receiving said acoustic signal and subsequently generating an electric signal in response thereto;
вычислительное устройство для обработки сигналов с получением электрического сигнала для генератора и по крайней мере с 3-х акустических приемников. Вычислительное устройство, соединенное с температурным датчиком, обрабатывает поступившие сигналы для определения вектора скорости. Сбор данных процессором происходит при высокой частоте амплитудно-импульсной модуляции, например, 10 кГц, что позволяет разрешать самые маленькие атмосферные турбулентности.a computing device for processing signals to obtain an electrical signal for a generator and at least 3 acoustic receivers. A computing device connected to the temperature sensor processes the incoming signals to determine the velocity vector. The processor collects data at a high amplitude-pulse modulation frequency, for example, 10 kHz, which allows the smallest atmospheric turbulence to be resolved.
Однако использование измерительных каналов для определения проекции вектора скорости, находящихся не в одной плоскости с излучателем, приводит к усложнению как конструкции так и расчетного алгоритма, поскольку задача определения третьей проекции связана с наличием дополнительных приемников и усложнения расчетного алгоритма за счет необходимости выполнения дополнительных расчетов.However, the use of measuring channels to determine the projection of the velocity vector that are not in the same plane with the emitter complicates both the design and the calculation algorithm, since the task of determining the third projection is associated with the presence of additional receivers and the complexity of the calculation algorithm due to the need to perform additional calculations.
Задача изобретения заключается в расширении ассортимента акустических анемометров, обладающих высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения величин вектора скорости потока при одновременном снижении сложности конструкции и повышении ее надежности.The objective of the invention is to expand the range of acoustic anemometers with high sensitivity and a wide range of measurement of the values of the flow velocity vector while reducing the complexity of the design and increasing its reliability.
Поставленная задача решается тем, что в акустическом анемометре, состоящем из генератора электрических сигналов, установленных на поддерживающей структуре излучателя и приемников акустических сигналов, расположенных на равных расстояниях от излучателя; вычислительного устройства для задания и обработки сигналов и датчика температуры, соединенного с ним, в качестве генератора используют генератор коротких импульсных сигналов, излучатель и приемники акустических сигналов расположены в одной плоскости, а поддерживающая структура выполнена в виде прямого креста, в центре которого установлен излучатель, а на концах размещены акустические приемники, при этом излучатель дополнительно снабжен усилителем мощности, а приемники предварительными усилителями.The problem is solved in that in an acoustic anemometer consisting of an electric signal generator mounted on a supporting structure of the emitter and acoustic signal receivers located at equal distances from the emitter; a computing device for setting and processing signals and a temperature sensor connected to it, the generator uses short pulse signals, the emitter and receivers of acoustic signals are located in the same plane, and the supporting structure is made in the form of a straight cross, in the center of which the emitter is installed, and acoustic receivers are placed at the ends, while the emitter is additionally equipped with a power amplifier, and the receivers are pre-amplifiers.
Принцип работы заявляемого устройства основан на измерении составляющих проекции вектора скорости газового потока и расчете модуля вектора скорости и его направленности.The principle of operation of the inventive device is based on measuring the components of the projection of the velocity vector of the gas flow and calculating the modulus of the velocity vector and its directivity.
Блок - схема анемометра приведена на Фиг, на которой оси системы координат XY совпадают с линиями прямого креста, образуя связанную систему координат XY. Анемометр состоит из вычислительного устройства (ВУ), соединенного с ним генератора импульсных сигналов (ГИС), усилителя мощности (УМ) для излучателя акустических импульсов (И), приемников акустических импульсов (Пх1), (Пх2), (Пу1), (Пу2), расположенных вокруг излучателя (И) на равных расстояниях (L) на осях связанной системы координат ХУ. Сигналы приемников усиливаются соответствующими предварительными усилителями (ПУх1), (ПУх2), (ПУу1), (ПУу2) и затем поступают на (ВУ). Датчик (t) температуры наружного воздуха соединен с вычислительным устройством (ВУ).The block diagram of the anemometer is shown in Fig, on which the axes of the XY coordinate system coincide with the lines of the straight cross, forming a connected XY coordinate system. The anemometer consists of a computing device (WU), a pulse signal generator (GIS) connected to it, a power amplifier (PA) for an acoustic pulse emitter (I), acoustic pulse receivers (Px1), (Px2), (Pu1), (Pu2) located around the emitter (I) at equal distances (L) on the axes of the associated coordinate system XU. The signals of the receivers are amplified by the corresponding preamplifiers (PUx1), (PUx2), (PUU1), (PUU2) and then fed to (VU). The sensor (t) of the outdoor temperature is connected to a computing device (WU).
В случае применения анемометра для определения вектора скорости ветра, плоскость XY горизонтальна.If an anemometer is used to determine the wind speed vector, the XY plane is horizontal.
В качестве вычислительного устройства применяют, например, микроконтроллер серии Atmel Mega AVR, имеющий встроенный аналогово-цифровой преобразователь и таймеры, позволяющие осуществить как оцифровку поступающих на входы сигналов, так и измерение времени As a computing device, for example, an Atmel Mega AVR series microcontroller is used, which has a built-in analog-to-digital converter and timers that allow both the digitization of the signals received at the inputs and the measurement of time
прохождения акустических импульсов от излучателя к приемникам. В качестве акустических излучателя и приемников целесообразно использовать, например, пьезокерамические, а в качестве датчика температуры, например, термометр сопротивления. Поддерживающая структура представляет собой крестовину, в центре которой устанавливают излучатель, а на концах -приемники акустических сигналов.the passage of acoustic pulses from the emitter to the receivers. It is advisable to use, for example, piezoceramic ones as acoustic emitters and receivers, and a resistance thermometer, for example, as a temperature sensor. The supporting structure is a cross, in the center of which a radiator is installed, and at the ends are receivers of acoustic signals.
Отметим, что компоновка измерителя конкретными составляющими элементами зависит от предъявляемых требований к анемометру и области его дальнейшего использования, в том числе и от требуемой точности измерений векторов скорости потока, поэтому для высокоточных измерений используют более широкополосные излучатель и приемники и высокоскоростной процессор вычислительного устройства.Note that the layout of the meter with specific constituent elements depends on the requirements for the anemometer and the area of its further use, including the required measurement accuracy of the flow velocity vectors, therefore, for high-precision measurements, wider emitter and receivers and a high-speed processor of the computing device are used.
Заявляемый анемометр работает следующим образом. Генератор (ГИС), управляемый вычислительным устройством (ВУ), генерирует короткие, как правило, прямоугольные импульсы, которые, будучи усилены предварительным усилителем (УМ), поступают на акустический излучатель (И) и излучаются в окружающую среду. Излученные импульсы принимаются приемниками (Пх1), (Пх2), (Пу1), (Пу2), сигналы которых усиливаются соответствующими усилителями (ПУх1), (ПУх2), (ПУу1), (ПУу2) и поступают в вычислительное устройство (ВУ), которое за счет своей внутренней структуры и соответствующего программного обеспечения, производит определение времени прихода акустического импульса до каждого из приемников. При наличии газового потока V, проекции вектора его скорости на оси связанной системы координат будут Vx и Vy, соответственно. Обозначая скорость распространения звука как Va, получаем систему уравнений, связывающую время распространения акустического импульса вдоль осей связанной системы координат (вдоль оси X, например), расстояние от излучателя до приемников L, проекцию скорости ветра на ось связанной системы координат Vx и скорость звука в воздухе Va:The inventive anemometer operates as follows. A generator (GIS), controlled by a computing device (WU), generates short, usually rectangular pulses, which, being amplified by a preliminary amplifier (AM), are fed to an acoustic emitter (I) and emitted to the environment. The emitted pulses are received by receivers (Пх1), (Пх2), (ПУ1), (ПУ2), the signals of which are amplified by the corresponding amplifiers (ПУх1), (ПУх2), (ПУу1), (ПУу2) and enter the computing device (WU), which Due to its internal structure and corresponding software, it determines the time of arrival of an acoustic pulse to each of the receivers. If there is a gas flow V, the projections of its velocity vector on the axis of the associated coordinate system will be Vx and Vy, respectively. Denoting the speed of sound propagation as Va, we obtain a system of equations relating the propagation time of an acoustic pulse along the axes of a coupled coordinate system (for example, along the X axis), the distance from the emitter to the receivers L, the projection of the wind speed on the axis of the coupled coordinate system Vx, and the speed of sound in air Va:
Решением данной системы уравнений являются параметры Va и Vx Решением аналогичных уравнений для пары приемников, расположенны вдоль оси Y являются параметры Va и Vy. После получения вышеназванны параметров рассчитывают величину модуля вектора скорости V какThe solution to this system of equations is the parameters Va and Vx. The solution to similar equations for a pair of receivers located along the Y axis are the parameters Va and Vy. After obtaining the above parameters, calculate the magnitude of the velocity vector module V as
и угол направления ветра в связанной системе координат а какand the angle of the wind direction in the associated coordinate system and how
а также атмосферное давление Р как функцию скорости звука и температуры, постоянно измеряемой датчиком температуры:as well as atmospheric pressure P as a function of the speed of sound and temperature, constantly measured by a temperature sensor:
P=F(Vα,t)P = F (Vα, t)
Функции расчетов всех вышеопределенных параметров возлагаются на вычислительное устройство. При разрешающей способности вычислительного устройства по времени порядка 3 мкс заявляемый анемометр обеспечивает чувствительность по скорости на уровне 0.2 м/с.The calculation functions of all the above parameters are assigned to the computing device. With a time resolution of the computing device of the order of 3 μs, the inventive anemometer provides a speed sensitivity of 0.2 m / s.
Отличительными признаками заявляемого анемометра по отношению к прототипу являются: наличие двух пар приемников, расположенных на осях связанной системы координат в одной плоскости с излучателем, и излучение последовательности коротких акустических импульсов, что позволяет эффективно бороться с «паразитными» акустическими явлениями, вызванными распространением звука по несущей конструкции. Расположение приемников и излучателя в одной плоскости снижает требования к мощности излучателя и упрощает конструкцию и расчетный алгоритм.Distinctive features of the claimed anemometer in relation to the prototype are: the presence of two pairs of receivers located on the axes of the associated coordinate system in the same plane with the emitter, and the emission of a sequence of short acoustic pulses, which allows you to effectively deal with "spurious" acoustic phenomena caused by the propagation of sound along the carrier designs. The location of the receivers and the emitter in one plane reduces the power requirements of the emitter and simplifies the design and calculation algorithm.
Заявляемая совокупность существенных признаков предложенного измерителя приводит к получению нового анемометра, обеспечивающего высокую чувствительность и частотный диапазон устройства (до сотен герц), надежность и снижение эксплуатационных расходов, и при этом дает возможность одновременного определения направления, скорости потока и величины атмосферного давления.The claimed combination of essential features of the proposed meter leads to a new anemometer that provides high sensitivity and frequency range of the device (up to hundreds of hertz), reliability and reduced operating costs, and at the same time allows the simultaneous determination of direction, flow rate and atmospheric pressure.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004131268/22U RU44391U1 (en) | 2004-10-25 | 2004-10-25 | ACOUSTIC ANEMOMETER |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004131268/22U RU44391U1 (en) | 2004-10-25 | 2004-10-25 | ACOUSTIC ANEMOMETER |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU44391U1 true RU44391U1 (en) | 2005-03-10 |
Family
ID=35365575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004131268/22U RU44391U1 (en) | 2004-10-25 | 2004-10-25 | ACOUSTIC ANEMOMETER |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU44391U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU206371U1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-09-08 | Акционерное общество "ЛОМО" | ACOUSTIC ANEMOMETER |
-
2004
- 2004-10-25 RU RU2004131268/22U patent/RU44391U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU206371U1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-09-08 | Акционерное общество "ЛОМО" | ACOUSTIC ANEMOMETER |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20150260557A1 (en) | Nonintrusive performance measurement of a gas turbine engine in real time | |
Fernandes et al. | Wind speed and direction measurement based on time of flight ultrasonic anemometer | |
US6601447B1 (en) | Acoustic anemometer for simultaneous measurement of three fluid flow vector components | |
Zedel et al. | Turbulence measurements in a jet: Comparing the Vectrino and VectrinoII | |
Jiang et al. | An accurate ultrasonic wind speed and direction measuring method by combining time-difference and phase-difference measurement using coded pulses combination | |
CN201247251Y (en) | Measurement gauge for pipe gas flow rate and sonic velocity | |
RU153990U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU44391U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU169800U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU160408U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU206371U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU2675418C1 (en) | Ultrasonic acoustic anemometer | |
US11397192B2 (en) | Acoustic airspeed sensors and processing techniques | |
RU215717U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
JPH04238284A (en) | Sound source position estimating device | |
CN105300654B (en) | A kind of ultrasonic precision ranging system in low-speed wind tunnel | |
RU164305U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
CN210075580U (en) | Acoustic vector sensor sensitivity measuring device and system | |
CN207881825U (en) | A kind of ultrasonic wave wind direction and wind velocity measuring device | |
RU210598U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
US10261163B1 (en) | Low frequency sound sensor array for positioning and methods of using same | |
CN115792273B (en) | Method for measuring fluid flow rate, flow measuring device and computer storage medium | |
CN110487363A (en) | A kind of ultrasonic flowmeter detection device and detection method | |
CN216524152U (en) | Ultrasonic water meter | |
RU83620U1 (en) | ULTRASONIC FLOW SPEED METER |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20111026 |